Ultra-compact twin stars with hybrid equations of state from bosonic dark matter

Nel cuore profondo dell'universo, dove la gravità è così intensa da schiacciare la materia in uno stato più denso di qualsiasi materiale sulla Terra, giacciono i resti di stelle morte. Queste sono le stelle di neutroni, i cadaveri cosmici di soli massicci che sono crollati sotto il proprio peso. Sebbene comprendiamo gli strati esterni di questi oggetti, i loro nuclei rimangono un profondo mistero. La pressione all'interno è così estrema che potrebbe costringere protoni e neutroni a dissolversi in una zuppa delle loro parti costituenti, nota come materia di quark. Allo stesso tempo, l'universo è pieno di materia oscura invisibile, una sostanza che non emette luce ma esercita gravità. Per decenni, gli scienziati si sono chiesti cosa accadrebbe se questi due enigmi cosmici si scontrassero: cosa succederebbe se una stella di neutroni non fosse fatta solo di materia ordinaria, ma contenesse anche una quantità significativa di materia oscura intrappolata nel suo nucleo?

Un team di ricercatori della Goethe University di Francoforte ha esaminato questa possibilità con una nuova prospettiva, combinando la fisica della materia di quark con la fisica della materia oscura per vedere come esse rimodellino la vita di una stella di neutroni. Si sono concentrati su uno scenario specifico in cui la transizione dalla materia normale alla materia di quark è improvvisa e violenta, piuttosto che graduale. Nel mondo delle stelle a singolo fluido, un salto così improvviso crea solitamente un vuoto di stabilità, il che significa che stelle con determinate masse semplicemente non possono esistere. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di un secondo fluido di materia oscura cambia completamente le regole. Simulando queste stelle ibride, hanno scoperto che la materia oscura può agire come un agente stabilizzante, smussando i vuoti e permettendo l'esistenza di nuovi tipi di stelle precedentemente ritenuti impossibili.

Lo studio rivela che, quando la materia oscura è presente, può alterare la struttura di una stella di neutroni in due modi molto diversi, creando due distinte famiglie di oggetti ultra-compatti. In uno scenario, la materia oscura forma un nucleo denso nascosto nel profondo della stella, circondato da un guscio di materia normale. Nell'altro, la materia oscura forma un vasto alone diffuso che avvolge l'intera stella, estendendosi ben oltre la superficie visibile della materia normale. Sorprendentemente, entrambi i tipi di stelle possono essere incredibilmente piccoli e pesanti, stipando così tanta massa in uno spazio così ridotto da avvicinarsi ai limiti consentiti dalla fisica. I ricercatori hanno scoperto che queste stelle ultra-compatte possono avere un valore di compattezza di almeno un terzo, una soglia in cui la stella è così densa che la luce può orbitarvi attorno, una caratteristica solitamente associata ai buchi neri.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente sorprendente è il modo in cui la materia oscura cambia la relazione tra la massa e le dimensioni di una stella. In una stella di neutroni standard, se si aggiunge massa, la stella si rimpicciolisce. Ma con l'intervento della materia oscura, i ricercatori hanno scoperto che la dimensione visibile della stella può ridursi drasticamente mentre la sua massa totale rimane elevata, o viceversa, la stella può mantenere una dimensione visibile simile pur trasportando una quantità di materia oscura vastamente diversa. Questo porta a un fenomeno che gli autori chiamano "gemelli ultimi". Si tratta di coppie di stelle che appaiono identiche ai nostri telescopi — avendo la stessa massa e lo stesso raggio visibile — ma che sono fondamentalmente diverse all'interno. Una potrebbe essere una pura stella ibrida con un nucleo di quark, mentre la sua gemella è una stella ibrida con un massiccio alone di materia oscura. Per un osservatore che misuri solo la dimensione e il peso della stella, esse apparirebbero come lo stesso oggetto, eppure la loro composizione interna e la loro risposta alle forze gravitazionali sarebbero completamente diverse.

I ricercatori hanno anche esaminato come queste stelle si comporterebbero in caso di collisione o se venissero attratte dalla gravità di una stella compagna. Hanno scoperto che la presenza di materia oscura lascia un'impronta digitale evidente sotto forma di onde gravitazionali. I "gemelli ultimi" che hanno identificato produrrebbero segnali diversi quando interagiscono con altre stelle, anche se appaiono identici nella luce visibile. Inoltre, lo studio ha esaminato la luce che scappa dalla superficie di queste stelle. Poiché la gravità piega la luce, la luce proveniente da una stella molto densa viene allungata, o redshiftata, mentre viaggia verso di noi. Il team ha scoperto che i due tipi di stelle ultra-compatte producono redshift molto diversi. Le stelle con un nucleo di materia oscura mostrano un redshift elevato, simile a quello che ci aspettiamo dalle stelle normali più dense. Al contrario, le stelle con un alone di materia oscura mostrano un redshift sorprendentemente basso, nonostante siano altrettanto compatte. Questo risultato controintuitivo accade perché gran parte della massa della stella nella versione con alone è situata all'esterno della superficie da cui la luce viene emessa, quindi la luce non deve risalire un pozzo gravitazionale così profondo come ci si potrebbe aspettare.

Queste scoperte suggeriscono che l'universo possa nascondere uno zoo di stelle esotiche che non abbiamo ancora identificato. I ricercatori propongono che i futuri telescopi, che saranno in grado di misurare la dimensione e la massa delle stelle di neutroni con molta più precisione rispetto agli strumenti attuali, potrebbero individuare queste anomalie. Se un telescopio rileva una stella che è incredibilmente piccola e pesante, o se i rilevatori di onde gravitazionali sentono un segnale che non corrisponde alla dimensione visibile della stella, potrebbe essere la prima prova della materia oscura che vive all'interno di una stella di neutroni. Lo studio non afferma di aver già trovato queste stelle, ma fornisce una mappa dettagliata di dove guardare e cosa aspettarsi. Dimostra che l'interazione tra la transizione improvvisa alla materia di quark e la presenza di materia oscura crea un ricco panorama di possibilità, trasformando la stella di neutroni in un laboratorio dove le leggi della gravità e della fisica delle particelle vengono testate nelle condizioni più estreme immaginabili.

Il lavoro chiarisce anche una questione di lunga data sulla stabilità di queste stelle. In modelli precedenti, si pensava che un cambiamento improvviso dalla materia normale alla materia di quark creasse una regione instabile in cui le stelle non potevano esistere. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di materia oscura rimuove questa instabilità. Inveve di un vuoto nella sequenza di possibili stelle, la presenza di materia oscura crea un percorso continuo, permettendo alle stelle di passare da uno stato all'altro in modo fluido senza collassare. Ciò significa che le "stelle gemelle" previste dalle teorie precedenti potrebbero non essere così rare o distinte come si pensava un tempo; potrebbero far parte di una famiglia continua di stelle che semplicemente trasportano diverse quantità di materia oscura. Lo studio conclude che la ricerca della materia oscura potrebbe non richiedere di guardare negli spazi vuoti tra le galassie, ma piuttosto negli oggetti più densi e compatti dell'universo, dove l'invisibile e il visibile sono legati insieme in un abbraccio gravitazionale.